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无网格法理论及MATLAB程序
1.7.4.1 5.4.1 多裂纹问题的内部基扩充无网格法
5.4.1 多裂纹问题的内部基扩充无网格法

从复合型断裂力学应力场[见式(5.14)—(5.16)]可以看出,裂纹尖端奇异性与成正比,也就是说越靠近裂纹端部应力奇异性越突出。当多个裂纹共存时,由于计算点与每个裂纹间的位置关系不同,裂纹相对计算点应有主次之分。但区分裂纹的主次并非完全依靠裂纹在整体结构中的形态(往往是裂纹的总长度),还应该考虑裂纹尖端与计算点之间的距离。因为当计算点离结构中的主裂纹距离非常远,而与某条次裂纹相距又非常近时,那么该条次裂纹对计算点应力奇异性的贡献要远大于结构中主裂纹的。此时若继续将主裂纹端部局部坐标系下的基函数)引入无网格近似函数,必然难以得到令人满意的计算结果;倘若同时考虑多条裂纹对计算点应力的贡献,将代表它们各自应力奇异性的所有基函数都添加到无网格近似函数中,必然使得基函数的数量急剧增大,这种做法又是不合理、不科学的。另外,结构的破坏往往是微裂纹不断产生、成核、扩展,然后汇交成一条主裂纹的结果。因此,仅仅强调主裂纹对应力场的影响,而忽略微裂纹的作用也是不合理的。

综合以上分析及前人的研究成果[118],在确定某个裂纹可以作为主裂纹时,需要考虑两个关键因素:计算点到裂纹尖端的距离以及裂纹几何尺寸。计算点到裂纹尖端的距离越短,裂纹尺寸越长时,对裂纹尖端附近任一点(即计算点)的应力状态影响越大,可作为主裂纹,即r/a 较小者可作为主裂纹进行内部基扩充。因此,我们给出特征距离的概念[116,117]

如图5.23 所示:a1、a2分别为两条内部裂纹,P 为某个计算点,r1、r2、r3、r4分别为P 点到四个裂纹尖端A、B、C、D 的距离。首先计算计算点到四个裂纹尖端的特征距离,然后将对应的裂尖的极坐标(r,θ)确定为式(5.18)的内部扩充基函数的变量来计算。

图5.23 计算点与多个裂纹尖端的位置关系

我们可以很容易将特征距离的概念推广到更多裂纹的情况。假如计算点影响域内含有nc个裂纹尖端,每个裂尖对应的裂纹长度为ai(i=1,2,…,n),首先计算点到每个裂尖距离为},然后计算最小特征距离。特征距离法从问题域中所有可能的裂纹尖端中选取对计算点应力奇异性贡献最大的那个作为扩充项,随着计算点(高斯点)的迭代,主裂纹和次裂纹的位置会不断发生变化。